transistores de potencia -...
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Transistores de Potencia
Tran
sist
or
BJT
Tran
sist
or
M
OSF
ET
El transistor bipolar de potencia
iB
iC
iE
Base de pequeño espesor → aumenta β
Base de pequeño espesor → menor tensión de ruptura
SÍMBOLO
DISEÑO: Especificar DOPADOS y ESPESORES (p.ej.: el espesor de la capa N- determina la tensión deruptura)
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
uCE
uBE
iB
iC
iE
BASE
EMISOR
COLECTOR
uCE
uBE
BASE
EMISOR
COLECTOR
Presentan varias bases y emisores entrelazados, para evitar la concentración de corriente.
montaje darlington
Estructura vertical → maximiza el área de conducción → minimiza res. óhmica y térmica
NPN PNP
COLECTOR
BASE
EMISOREM. EMISOR
COLECTOR
EMISOR BASE
COLECTOR
N+
N-
PN+10µm
5-20µm
50-200µm
250µm
1019 át/cm2
1014 át/cm2
1016 át/cm2
VCE0: uCE de ruptura con la base abierta (IB=0)
IC: Corriente máxima de colector
PMAX: máxima potencia capaz de ser disipada por el transistor.
Las zonas de avalancha deben evitarse.
El transistor bipolar de potencia: Características estáticas
ib=0
ib1
ib2
ibMAXic
uce
SATURACIÓN
CORTE
Vce0ZONA ACTIVA
PMAX
Ic
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
COLECTOR
EMISORBASE
N+
N-
P
N+
• La corriente de base provoca caídas de tensión interna en la zona de base que se suman a la tensión externa entre emisor y colector.
• Esta tensión es mayor cuanto menor sea β
• La concentración de corrientes provoca sobrecalentamientos localizados que desembocan en avalancha secundaria cuando IC es grande. Para minimizar este fenómeno los transistores de potencia tienen varias bases y emisores entrelazados.
Avalancha secundaria
El transistor bipolar de potencia: Características estáticas
--- - --
---- --
-----
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
• La corriente de base provoca caídas de tensión interna en la zona de base que se suman a la tensión externa entre emisor y colector.
• Esta tensión es mayor cuanto menor sea β
• La concentración de corrientes provoca sobrecalentamientos localizados que desembocan en avalancha secundaria cuando IC es grande. Para minimizar este fenómeno los transistores de potencia tienen varias bases y emisores entrelazados.
Avalancha secundaria
El transistor bipolar de potencia: Características estáticas
COLECTOR
EMISORBASE
N+
N-
P
N+
--- -
-------
--------
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
SOAR: Zona de trabajo seguro. Depende de la frecuencia de trabajo.
El transistor bipolar de potencia: Características estáticas
ic
uceVce0
PMAXIcMAX-DC
S.O.A.R.
Zona de avalancha secundaria
continua
100us
10
0u
s
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El transistor bipolar de potencia: SOAR
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
Circuitos equivalentes estáticos.
Para estimar la potencia disipada en el bipolar:
Circuito equivalente en saturación
uceuB
uB
uce
ic
ic
+
VCC
RCARGA
SATURA-
CIÓNCORTE
SATURA-
CIÓN
El transistor bipolar de potencia: Características estáticas
VCC
uB VBE VCE-SAT
V 7,0VBE
V 3,0V SATCE
B
BCBBECSATCESAT Est
R
7,0V·7,0I·3,0I·VI·VP
RCARGA
RB
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
Circuito equivalente en corte
El transistor bipolar de potencia: Características estáticas
VCC
uB VCE
RCARGA
RB
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
Encendido con carga resistiva.
• La gran cantidad de carga espacial necesita tiempo para ser creada y destruida. El paso de corte asaturación, y viceversa, es lento. Cuanta menos carga espacial más rápida será la conmutación perotambién mayores serán las pérdidas estáticas.
• Con el fin de acelerar la conmutación y disminuir sus pérdidas, puede suministrarse una IB negativapara pasar de saturación a corte.
uceuB
uB
uce
ic
ic
+
VCC
RCARGA
90%
tdON
El transistor bipolar de potencia: Características dinámicas
10%
trise
tON
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
Apagado con carga resistiva.
uceuB
uB
uce
ic
ic
+
VCC
RCARGA
90%
tst
El transistor bipolar de potencia: Características dinámicas
10%
tfall
tOFF
tst: Tiempo de almacenamiento: el proceso de conducción continúa a costa de los portadoresalmacenados en la base.
Las pérdidas en conmutación en el apagado son MAYORES que las del encendido (debido al tiempo debajada)
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
Cálculo de la potencia disipada en la conmutación: APAGADO
uce
ic iC MAX
El transistor bipolar de potencia: Características dinámicas
tfall
VCCDurante tfall:
t·t
V)t(u
fall
CCCE
fall
fallMAX CC
t
tt·i)t(i
Para calcular la potencia (W) basta multiplicar por la frecuencia.
Para el caso de la potencia en el ENCENDIDO, se actúa de manera análoga.
falltt
0t CECOFF dt)·t(u)·t(iE
6
t·V·iE fallCCMAX C
OFF
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
2
2MAX CC
t
ttI)t(i
En t1:
En t2:
(Mientras exista circulación de corriente por el diodo, soporta tensión nula).
Apagado con carga inductiva:
El transistor bipolar de potencia: Características dinámicas
uce
ic
toff
t2t1
uce
uB
icVCC
L
1CCCE
t
t·V)t(u
OFFtt
0t CECOFF dt)·t(u)·t(iE
2
t·V·iE offCCMAX C
OFF
VCC
iC MAX
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
Encendido con carga inductiva:
El transistor bipolar de potencia: Características dinámicas
uce
ic
ton
t2t1
uce
uB
icVCC
L
iRR
VCC
iC MAX
1
RRMAX CCt
tii)t(i
En t1:
En t2:
CCCE V)t(u
2
2RRMAX CC
t
tt·ii)t(i
2
2CCCE
t
ttV)t(u
ontt
0t CECON dt)·t(u)·t(iE
3
2
tt·V·i
2
t·V·iE
1onCCRR
onCCMAX CON
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
Diodo externo para aplicaciones de medio puente y puente completo.
Diodo externo para aumentar la velocidad de conmutación.
• Aumento de : TOT= 1*2+1+2.
• La conmutación es aún más lenta.
Características
El transistor bipolar de potencia: Montaje Darlington
iB
iC
iE
BASE
EMISOR
COLECTOR
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El MOSFET de potencia: Estructura
Alta impedancia de entrada (CGS).
SÍMBOLO
Dispositivo fundamental como interruptor controlado por tensión. Suele usarse casi exclusivamentelos de canal N.
uDS
uGS
iG
iD
iS
PUERTA
FUENTE
DRENADOR
Compuesto por muchas células de enriquecimiento conectadas en paralelo.
Siempre de ACUMULACIÓN; no tienen el canal formado. El sustrato está siempre conectado a la fuente.
CANAL N CANAL P
uDS
uGS
iG
iD
iS
PUERTA
FUENTE
DRENADOR
DRENADOR
FUENTEPUERTA
N
N-
N N N N N N
P PP
SUS
ÓXIDO
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
Si uGS es menor que el valor umbral, uGS TH, el MOSFET está abierto (en corte). Un valor típico de uGS TH es 3V. uGS suele tener un límite de ±20V. Suele proporcionarse entre 12 y 15 V para minimizar la caída de tensión VDS.VDS MAX: Tensión de ruptura máxima entre drenador y fuente.ID MAX: Corriente de drenador máxima (DC).RDS ON: Resistencia de encendido entre drenador y fuente.
uGS<uGS TH
iD
uDS
SATURACIÓN
CORTE
VDS MAXZONA ACTIVA
PMAX
ID MAX
El MOSFET de potencia: características estáticas
uGS=uGS1
uGS2>uGS1
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
SOAR: Zona de trabajo seguro. Depende de la frecuencia de trabajo.
El MOSFET de potencia: características estáticas
iD
uDS
PMAX
S.O.A.R.
Zona limitada por RDS ON
10
0u
s
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El MOSFET de potencia: S.O.A.R.
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
Circuitos equivalentes estáticos.
Circuito equivalente en corte
uDSuGS
uGS
uDS
iD
iD
+
VCC
RCARGA
SATURA-
CIÓNCORTE
SATURA-
CIÓN
El MOSFET de potencia: Características estáticas
VCC
uDS
RCARGA
RDS ON
Circuito equivalente en saturación
VCC
uGS
RCARGA
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
• La unión PN- está inversamente polarizada.• La tensión drenador-fuente está concentrada en la unión PN-.• La región N- está poco dopada para alcanzar el valor requerido de tensión soportada (rated voltage).• Tensiones de ruptura grandes requieren zonas N poco dopadas de gran extensión.
MOSFET en corte (uDS>0)
El MOSFET de potencia: Características estáticas
uDSZona de transición:La zona P-N- es un diodo polarizado inversamente.
DRENADOR
FUENTEPUERTA
N
N-
N N N N N NP PP
SUS
ÓXIDO
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
MOSFET saturado (iDS>0)
El MOSFET de potencia: Características estáticas
uGSCon suficiente uGS se forma un canal bajo la puerta que permite la conducción bidireccional.
Aparece una resistencia RDS ON, entre drenador y fuente, que es suma de resistencias: canal, contactos de fuente y drenador, región N-...
Cuando la tensión de ruptura aumenta, la región N-
domina en el valor de RDS ON.
En una zona poco dopada no hay muchos portadores, por lo que RDS ON aumenta rápidamente si la tensión de ruptura se quiere hacer de varios centenares de voltios.
Un MOSFET es el interruptor preferido para tensiones menores o iguales a 500V. Más allá es preferible, en general, un IGBT.
El MOSFET es capaz de conducir corrientes de pico bastante superiores a su valor medio máximo (rated current).
DRENADOR
FUENTEPUERTA
N
N-
N N N N N NP PP
SUS
ÓXIDO
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
• El diodo se polariza directamente cuando VDS es negativa.
• Es capaz de conducir la misma corriente que el MOSFET.
• La mayoría son lentos. Esto provoca picos de corriente de recuperación inversa que pueden destruir el dispositivo.
Diodo parásito entre drenador y fuente.
El MOSFET de potencia: Características estáticas
uDS
uGS
iG
iD
iS
PUERTA
FUENTE
DRENADOR
Puede anularse o sustituirse el diodo parásito mediante diodos externos rápidos.
Anulación Sustitución
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
CDS
• Los tiempos de conmutación del MOSFET se deben principalmente a sus capacidades e inductancias parásitas, así como a la resistencia interna de la fuente de puerta.
CISS: CGS + CGD Capacidad de entrada Se mide con la salida en cortocircuito.CRSS: CGD Capacidad Miller o de transferencia inversa.COSS: CDS + CGD Capacidad de salida; se mide con la entrada cortocircuitadaLD: Inductancia de drenadorLS: Inductancia de fuente.
Parámetros parásitos.
Parámetros parásitos
El MOSFET de potencia: Características dinámicas
CGD
CGS
CDS
CGD
CGS
LS
LD
CGS: Grande, constanteCGD: pequeña, no linealCDS: moderada, no lineal
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
tdelay trise
ton
tdisch tfall
toff
Conmutaciones con carga resistiva pura
El MOSFET de potencia: Características dinámicas
CDS
CGD
CGS
VDD
VA
RG
RD
t1 t2
VA
uGS
uGS-TH
iD
uDS
90%90%
10% 10%
pMOS
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
EFECTO MILLER
OIF UUU IUO U·AU
AuUI UO
UF
ZF
IUIF U·AUU IU U·A1
U
F
A1
Z
F
UI
F
FF
Z
A1·U
Z
UI
EFECTO MILLER EN LA ENTRADA
OU
OF U
A
UU
OU
U U·A
A1
F
U
U
OF
FF
Z
A
A1
·UZ
UI
UU
F A·A1
Z
AuUI UO
EFECTO MILLER EN LA SALIDA
El MOSFET de potencia: Características dinámicas
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
trise
ton
tdisch tfall
toff
tdelay
Conmutaciones con carga resistiva pura
El MOSFET de potencia: Características dinámicas
CDS
CGD
CGS
VDD
VA
RG
RD
t1 t2
VA
uGSuGS-TH
iD
uDS
90%90%
10% 10%
pMOS
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
ton toff
t1 t2 t3 t4
Conmutaciones con carga inductiva
El MOSFET de potencia: Características dinámicas
CDS
CGD
CGS
VDD
VA
RG
LD
t1 t2
VA
uGSuGS-TH
iD
uDS
IRR
pMOS
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
Cálculo de la potencia disipada en la conmutación: APAGADO con carga resistiva
uDS
iD iD MAX
El MOSFET de potencia: Cálculo de pérdidas
tfall
VDDDurante tfall:
t·t
V)t(u
fall
DDDS
fall
fallMAX DD
t
tt·i)t(i
Para calcular la potencia (W) basta multiplicar por la frecuencia.
Para el caso de la potencia en el ENCENDIDO, se actúa de manera análoga.
falltt
0t DSDOFF dt)·t(u)·t(iE
6
t·V·iE fallDDMAX D
OFF
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
EJEMPLO:
El MOSFET de potencia: Cálculo de pérdidas
Evalúense las pérdidas en el MOSFET de RDS
ON=0,55 W para el caso de que su tensión y corriente sean las de la figura. Hágase el cálculo cuando d=0,3 y con frecuencias de 10kHz y 150 kHz. uDS
iD 5A
100 ns
150V
100 ns
d·T (1-d)·T
W125,4d·5·55,0I·RP 22DrmsON DS1
Puesto que T>>100ns, puede aproximarse
J5,126
10·100·150·5
6
t·V·iEE
9fallDDMAX D
ONOFF
1ONMOS P)f(E·2)f(P W38,4W125,4W25,0)kHz10(PMOS
W6,41W125,4W5,37)kHz150(PMOS
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
2
2MAX DD
t
ttI)t(i
En t1:
En t2:
(Mientras exista circulación de corriente por el diodo, soporta tensión nula).
Apagado con carga inductiva:
El MOSFET de potencia: Cálculo de pérdidas
uDS
iD
toff
t2t1
1DDDS
t
t·V)t(u
OFFtt
0t DSDOFF dt)·t(u)·t(iE
2
t·V·iE offDDMAX D
OFF
VDD
iD MAX
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
uDS
iD
ton
t2t1
iRR
VDD
iD MAX
1
RRMAX DDt
tii)t(i
En t1:
En t2:
DDDS V)t(u
2
2RRMAX DD
t
tt·ii)t(i
2
2DDDS
t
ttV)t(u
ontt
0t DSDON dt)·t(u)·t(iE
3
2
tt·V·i
2
t·V·iE
1onDDRR
onDDMAX DON
Encendido con carga inductiva:
El MOSFET de potencia: Cálculo de pérdidas
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
1.- Circuito para disminuir el efecto Miller.
2.- Los transistores de puerta son de señal y por tanto más rápidos.
3.- La resistencia de puerta, r, es muy pequeña (<10W) y se coloca para proteger la puertade posibles picos de tensión.
4.- Las capacidades se cargan linealmente, con corriente constante.
5.- La potencia que maneja el circuito de gobierno es muy pequeña.
Sin aislamiento
El MOSFET de potencia: Circuitos de gobierno de puerta (drivers)
CDS
CGD
CGS
+VCC
VGG
R r
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
Con aislamiento
El MOSFET de potencia: Circuitos de gobierno de puerta (drivers)
1.- Siempre hay un interruptor cerrado generándose unaonda cuadrada sobre R.
2.- Cuando cierra el interruptor de abajo, en G y en S debehaber 0V.
3.- Cuando es el MOSFET quien se cierra, en su fuenteaparecen 500V.
4.- En ese momento, para mantener el MOSFET cerrado, enpuerta debe haber 515V.
5.- En general, en equipos de potencia todas las fuentes detensión deben estar referidas a masa, pues provienen de VG.
6.- Se necesita una tensión superior a la propia VG.
7.- En la resolución de este problema, los circuitos de bombade carga se han impuesto a los transformadores deimpulsos.
GS
D
RINT
500V
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
BOOTSTRAP
El MOSFET de potencia: Circuitos de gobierno de puerta (drivers)
GS
D
RINT
500V
DBOOT
VCC
CBOOT
1.- Al cerrarse el interruptor inferior, CBOOT secarga a 15V en un solo ciclo.
2.- Cuando en S hay 500V el diodo DBOOT
impide que CBOOT se descargue; dicho diododebe ser capaz de bloquear toda la tensión delcircuito.
4.- Con dos transistores auxiliares se aplica latensión de CBOOT a la puerta del MOSFET depotencia.
5.- CBOOT debe tener una capacidad muysuperior a la de puerta para que apenas sedescargue.
V12V5,1V
QC
CC
GBOOT
QG: carga de puertaVCC: 15V1,5V: caídas de tensión en los transistores auxiliares12V: tensión mínima de puerta
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
IRF510 100V 5,6A 0,54 W 5nC
IRF540N 100V 27A 0,052 W 71nC
APT10M25BVR 100V 75A 0,025 W 150nC
IRF740 400V 10A 0,55 W 35nC
APT4012BVR 400V 37A 0,12 W 195nC
APT5017BVR 500V 30A 0,17 W 200nC
SMM70N06 60V 70A 0,018 W 120nC
MTW10N100E 1000V 10A 1,3 W 100nC
Referencia VDS,MAX ID,MAX RON QG (típica)
47ns
74ns
50ns
40ns
67ns
66ns
120ns
290ns
tc (típico)
Algunos MOSFET de potencia
El MOSFET de potencia: Características reales
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
Semitrans 2Semitrans 1
TO247TO220 TO3
Semitop 2
El MOSFET de potencia: Encapsulados
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El MOSFET de potencia: Caso real: IRF540N
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El MOSFET de potencia: Caso real: IRF540N
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El MOSFET de potencia: Caso real: IRF540N
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El MOSFET de potencia: Caso real: IRF540N
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El MOSFET de potencia: Caso real: IRF540N
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El MOSFET de potencia: Caso real: IRF540N
EL TRANSISTOR DE POTENCIA